[科普中国]-白噪声发射器

基本概念

白噪声（white noise）是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。 所有频率具有相同能量密度的随机噪声称为白噪声。

白噪声作为一种理想信号，在数学处理上具有简单、方便等优点。所以在系统辨识、线性系统分析和信号分析与处理中都有极重要的地位。在实际工作中，所研究某一系统的随机过程，只要满足该过程的功率谱密度在比系统带宽大得多的频率范围内近似均匀分布这一条件，就可以把它作为白噪声来处理，而不会带来多大误差。

白噪声发生器在国外早有商品尚世，但直到近几年还只有小信号的产品，它们只能供噪声系数等测量之用。在需要大信号的用途中：如声学侧量中的白噪声，往往需要几瓦以上的输出功率。没有这种商品，看来是由于制造有困难。因为频谱密度均匀的噪声信号，一经放大就难免引起频谱畸变，从而影响测量的精密度。

白噪声发射器原理白噪声信号发生器电路原理图如图1所示：

图1

发生器是利用普通的双极性晶体管9014，它由双极性晶体管2N2222提供恒流源偏置。为了增加可得到的散粒噪声，9014的集电极处于开路而基极一发射极则为反向偏置。此时，BJT连接成其发射结处于反向击穿状态。

采用这样的配置，发射极一基极结的反向击穿电压可以很容易地用一般的频谱分析仪观察，其频谱带宽约为300MHz，而功率输出大约是70dBm。

利用该白噪声发生器，可以产生频带在0.4~30kHz范围内频宽连续可调的限带白噪声信号，在输出负载不小于200时，信号峰一峰值在范围内可以连续调节1。

噪声源能产生无规噪声的噪声源是很多的：如热噪声、散粒噪声和闪烁噪声等。大部分的无规噪声具有白谱带，从低频起延展到可观的频率范圃。由于各种噪声源的物理特性不同，频带的高频极限就很不一致。

电阻的热噪声是良好的白噪声信号源，它具有均匀的功率谱，信号强度为微伏级，对需要小信号的场合比较适合，如果需要放大就比较麻烦。利用散粒效应产生白噪声的噪声二极管，可以作为标准白噪声源，在几十千赫到数十兆赫范围内，具有均匀的频谱密度，只是由于低频时受到闪烁噪声的影响，输出较大。因此在需要音颁段白噪声时，可以由高频噪声差频取得。三极以上的电子管也能产生噪声，其等效噪声电阻与其跨导成反比，一般具有微伏极输出，混频管与变频管甚至可达6-7微伏。西德SUF型噪声发生器郎是利用五极管作为噪声源的，效果媛佳。光电倍增管在2赫到20兆赫的广阔频段内有相当均匀的频谱密度，输出信号也大，是优良的白噪声源。半导体二极管和三极管也可作为噪声源，但性能不够稳定，因此采用较少。

气体放电管能在广朗的频段内产生较大的噪声信号。稳压管与霓虹管所产生的噪声信号在100赫~10兆赫之间有均匀的频谱密度，信号强度可达几十微伏，比一般热噪声与散粒噪声高出20分贝以上。阐流管有更强的噪声信号，可达1毫伏左右，虽然它的频谱密度不够均匀，一般在6~15分贝之间，但在磁场作用之下，可以使不均匀度减少到1.5~6分贝。

闸流管噪声源白噪声发生器方框图如下：

图1

闸流管是一种很强的噪声源，在利用磁场控制噪声频谱后，会使噪声发生器更加完善。关于闸流管所产生的噪声频谱，在低频直到几百千赫的范围内有较均匀的频谱密度。不同型号的闸流管其噪声电平是不一样的。

噪声源的电路如图2所示，当R3增加时噪声信号也相应增加，但频谱曲线上的起伏也加大，有时甚至会引起弛张震荡，故应仔细选择。我们选用了较小的数值，取R3为50千欧。C2应选取足够大的数值，以便高频和低频信号都能顺利通过。滤波电路中仔细选择R4和C4，可且改善问流管输出频谱，也可以除去不必要的高频信号以免影响放大系统2。

图2

高斯白噪声发生器现代通讯电子设备的抗干扰测试己经成为必须的测试项目，主要的干扰类型为噪声干扰。在通信信道测试和电子对抗领域里，噪声始终是最基本、最常用的干扰源之一。如何产生稳定和精确的噪声信号己经成为一个重要的研究领域。其中，带限白噪声信号时间相关性小，目前应用最广泛。现有的硬件高斯白噪声发生器通常分为物理噪声发生器和数字噪声发生器两类，数字噪声发生器虽然没有物理噪声发生器的精度高，但是实现电路较为简单，易于应用。

高斯白噪声发生器如图3所示：

图3

首先，在现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array, FPGA)平台上以一个统一的时钟速度(称之为噪声发生速度，即f0)生成高速m序列伪随机码流，对该序列进行有限冲击响应(Finite Impulse Response, FIR)数字滤波处理，得到带限白噪声数字序列，同时在FPGA中实现直接数字综合(Direct Digital Synthesizer, DDS)算法，产生正弦数字序列，并与噪声序列合成；其次，将以上得到的数字序列通过高速数/模转换器(Digital Analog Converter, DAC)转换为模拟噪声信号；再次，通过LC低通滤波器以及放大器转换为模拟带限白噪声和正弦信号，该信号即为基带白噪声信号。高斯白噪声发生方法中涉及伪随机码发生算法、数字滤波算法和正弦波发生算法3。